INTRODUCCIÓN A LA LUBRICACIÓN

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1 INTRODUCCIÓN A LA LUBRICACIÓN

2 INDICE 1. INTRODUCCION A LA LUBRICACIÓN BREVE RECORDATORIO HISTÓRICO OBJETIVOS Y CAMPOS DE APLICACIÓN TIPOS DE LUBRICACIÓN Lubricación hidrodinámica: Lubricación límite: Lubricación hidrostática VISCOSIDAD LEY DE PETROFF ESTABILIDAD DE LA LUBRICACIÓN. CURVA DE STRIBECK COJINETE CON LUBRICACIÓN PERFECTA Elementos de Máquinas 6

3 1. INTRODUCCION A LA LUBRICACIÓN 1.1 Breve recordatorio histórico El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste. El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos se utiliza agua, aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales de temperatura, velocidad, etc. Históricamente es interesante señalar que únicamente con la mejora de los procesos de fabricación de elementos metálicos (a partir de la revolución industrial) y el aumento de las velocidades de giro de ejes (por encima de las habituales de un carro o un molino) la lubricación hidrodinámica se convierte en el tipo normal de lubricación y empieza a ser estudiada. La lubricación con grasas (lubricación límite) recibió una atención especial desde hace ya muchos años. Un gran número de famosos investigadores realizó experimentos sobre lubricación: Leonardo da Vinci (1508), Amontons (1699), Euler (1748), Coulomb (1809). Amontons y Coulomb hallaron que la fuerza de fricción F que hay que vencer para mover un cuerpo respecto a otro es proporcional a la carga normal aplicada P: es decir existe una constancia del cociente P/F, llamado coeficiente de fricción. Los primeros trabajos sobre un eje con cojinetes trabajando en condiciones hidrodinámicas fueron realizados por Pauli (1849) y Hirn (1854). Estos trabajos fueron analizados por el científico ruso Petroff en Tower entre 1883 y 1885 demostró que se generaban en este tipo de cojinetes unas presiones elevadas: este hecho fue explicado en 1886 por Reynolds que demostró que era necesaria una forma convergente en la película para que se generara un aumento de presión. Los experimentos de Tower resultaron claves en el desarrollo de esta teoría. Tower estaba encargado de estudiar la fricción en los soportes de los ejes de los carros de ferrocarril y de ver el mejor medio de lubricarlos. En el curso de una de sus investigaciones vio que uno de sus cojinetes parciales tenía un coeficiente de fricción muy bajo (4 de diámetro, 6 de longitud, arco de contacto 157º). Tower practicó un agujero en el apoyo tal como se ve en la figura y vio que la presión que se generaba al girar el eje era elevada. Esto le llevó a hacer un estudio de la distribución de presiones a lo ancho del cojinete. Elementos de Máquinas 7

4 1.2 Objetivos y campos de aplicación El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el calentamiento de las superficies en contacto de piezas con movimiento relativo. La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete, constituido por muñón o eje, manguito o cojinete. Campos de aplicación: cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de km). cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad de 100%). Los factores a considerar en diseño son técnicos y económicos: cargas aplicadas y condiciones de servicio. condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento. tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida. costo de instalación y mantenimiento. El estudio de la lubricación está basado en: mecánica de fluidos. termodinámica y transmisión de calor. mecánica de sólidos, materiales. Elementos de Máquinas 8

5 1.3 Tipos de lubricación. Pueden distinguirse tres formas distintas: lubricación hidrodinámica, límite o de contorno, hidrostática Lubricación hidrodinámica: Lubricación límite: las superficies están separadas por una película de lubricante que proporciona estabilidad. no se basa en introducir lubricante a presión (puede hacerse), exige un caudal de aceite, la presión se genera por movimiento relativo. se habla también de lubricación de película gruesa, fluida, completa o perfecta. la película de lubricante es tan fina que existe un contacto parcial metal-metal. La acción resultante no se explica por la hidrodinámica. puede pasarse de lubricación hidrodinámica a límite por caída de la velocidad, aumento de la carga o disminución del caudal de aceite. en este tipo de lubricación (de película delgada, imperfecta o parcial) mas que la viscosidad del lubricante es más importante la composición química. al proyectar un cojinete hidrodinámico hay que tener en cuenta que en el arranque puede funcionar en condiciones de lubricación límite Lubricación hidrostática se obtiene introduciendo a presión el lubricante en la zona de carga para crear una película de lubricante. no es necesario el movimiento relativo entre las superficies. se emplea en cojinetes lentos con grandes cargas. puede emplearse aire o agua como lubricante. Elementos de Máquinas 9

6 1.4 Viscosidad La expresión de la resistencia interna del fluido al desplazamiento es la viscosidad (ley de Newton): τ = µ. du dy Se explica a partir de la figura, suponiendo flujo laminar y que el fluido en contacto con las placas tiene la velocidad de éstas. Fig.1.1 Representación esquemática de la resistencia del fluido τ = µ du dy du U = = cste. dy h τ = F A La fuerza aumenta con el área y la velocidad F = µ. A. U h Las unidades con las que se expresa la viscosidad absoluta µ son las siguientes: N.s/ m2 = Pa.s libras.s / in2 = Reynolds dina.s / cm2 = Poise 1 Reynolds = centipoises. El método estándar ASTM para determinar la viscosidad emplea un Viscosímetro Saybolt Universal (VSU). Se mide el tiempo t que tardan 60 ml de lubricante a una temperatura en escurrir por un tubo de 17.6 mm de diámetro y mm de longitud. Aplicando la ley de Hagen-Poiseuille se hallan las siguientes relaciones: viscosidad cinemática (m 2 /s) 180 ν = 022..( VSU ) ( VSU ) viscosidad dinámica (Pa.s) Elementos de Máquinas 10

7 µ = ρ. ν ρ es la densidad (kg/m 3 ) a la temperatura del ensayo. Efecto de la temperatura en la viscosidad: la viscosidad disminuye con la temperatura. Se utiliza el índice de viscosidad (VI) y se compara con aceites de susceptibilidades térmicas muy pequeñas y muy grandes. para determinar el índice VI de un aceite se sigue el procedimiento de la figura. Se toman aceites con VI=0 y VI=100 que tengan la misma viscosidad a 100ºC que el aceite problema. VI=0 L y H VI= T (ºC) Fig. 1.2 Esquema para calcular el índice VI de una aceite L y VI (%) = L H. 100 la SAE (American Society of Automotive Engineers) ha dividido los aceites en grados. Algunos aceites con polímeros tienen un comportamiento multigrado (20W/50, etc.). Tabla 1.1 División de los grados de un aceite según SAE. Elementos de Máquinas 11

8 1.5 Ley de Petroff. El fenómeno del rozamiento fue explicado por primera vez por Petroff. Este análisis da un coeficiente de fricción aceptable y permite introducir parámetros adimensionales de utilidad posterior. Partiendo de la figura y de la ecuación de la viscosidad se halla el coeficiente de fricción, suponiendo que actúa una carga W pequeña y llamando T al par que hay que realizar para hacer girar el eje: r c l N Fig. 1.3 Eje girando a una velocidad de N rps en un cojinete. U 2π. µ. N. r τ = µ. = h c 2π. µ. N. r T = ( τ. A). r = ( ).( 2 π. rl. ). r c r l N T = 4 π µ. c Por otro lado utilizando el coeficiente de rozamiento f, y una nueva variable, P, carga por unidad de área proyectada (P=W/2.r.l) T = f. W. r = f.( 2. r. l. P). r = 2. r 2 f. l. P f N r = 2π 2 µ.. P c Esta es la ecuación de Petroff publicada en 1883, en la que aparecen dos parámetros adimensionales (P y r/c). Elementos de Máquinas 12

9 1.6 Estabilidad de la lubricación. Curva de Stribeck. Entre 1900 y 1902 Stribeck realiza experimentos sistemáticos para medir f en cojinetes en función de la velocidad de giro -N-, de la carga por unidad de área proyectada -P- y de la viscosidad. Son la base de la teoría de Sommerfeld. La curva de Stribeck -aunque hay algunas dudas de que Stribeck la usara exactamente en la forma que se presenta aquí- representa las características generales de superficies lubricadas en movimiento relativo entre sí. La expresión µ.n es conocida como el número de Sommerfeld. En la Fig 1.4 se mantienen P constantes N y P para representar la relación existente entre la viscosidad del fluido, µ, y el coeficiente de rozamiento, f. El gráfico puede dividirse en tres zonas zona I: lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica. Las superficies del cojinete están perfectamente separadas con un película gruesa de fluido: no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidad disminuye, decrece la película hasta el punto C zona II: lubricación mixta o elastohidrodinámica parcial. zona III: lubricación límite Fig. 1.4 Efecto de la viscosidad en la lubricación. Curva de Stribeck. De la gráfica se puede deducir: Estando en la zona I, a medida que la viscosidad disminuye también decrece el espesor de la película hasta el punto C. Una mayor disminución de la viscosidad hace que pasemos al punto B en el que se produce contacto ocasional entre las dos superficies debido a que la película es de muy pequeño espesor: el rozamiento en B y C es prácticamente igual, aunque en B la viscosidad del fluido es menor la resistencia al desplazamiento se debe en este caso al contacto entre las asperidades. Elementos de Máquinas 13

10 El punto C es el punto ideal de funcionamiento -delimita además la zona estable de la inestable- puesto que proporciona un rozamiento mínimo con prácticamente desgaste nulo. En la práctica se prefiere trabajar ligeramente a la derecha de C para tener un margen de seguridad. Si en el punto B reducimos ligeramente la viscosidad rápidamente crece el coeficiente de rozamiento hasta el punto A. A partir de este punto la mayor parte de la carga es soportada por las asperidades y por tanto un reducción mayor de la viscosidad tiene muy poca influencia en el coeficiente de rozamiento. Elementos de Máquinas 14

11 1.7 Cojinete con lubricación perfecta. En la práctica las hipótesis de Petroff no se cumplen. El eje no está centrado respecto del cojinete. Las figuras que siguen ilustran la puesta en marcha de un cojinete hidrodinámico. Fig. 1.5 Puesta en marcha de un cojinete En la siguiente figura se muestra la nomenclatura utilizada Fig Nomenclatura utilizada para las variables que definen un cojinete. h = espesor de película c = diferencia radios ε = e/c relación de excentricidad. Expresión aproximada h = c. ( 1+ ε. cosθ ) Elementos de Máquinas 15